La mitose est le mode de division des cellules somatiques (cellules du corps, non reproductrices). À partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, elle produit deux cellules filles également à 2n chromosomes, génétiquement identiques entre elles et identiques à la cellule mère (sauf accident de mutation). On dit que la mitose est une division conservative : elle conserve à la fois le nombre de chromosomes et l'information génétique.
Avant d'entrer en division, la cellule traverse une interphase, phase la plus longue du cycle cellulaire, elle-même subdivisée en trois périodes :
Prophase : la chromatine se condense progressivement, les chromosomes deviennent visibles, chacun formé de deux chromatides sœurs ; l'enveloppe nucléaire se désorganise et le fuseau mitotique (constitué de microtubules) commence à se mettre en place.
Métaphase : les chromosomes, au maximum de leur condensation, se disposent sur le plan équatorial de la cellule (plaque équatoriale), attachés par leur centromère aux fibres du fuseau issues des deux pôles opposés.
Anaphase : les centromères se séparent et les deux chromatides sœurs de chaque chromosome, désormais considérées comme des chromosomes indépendants à une seule chromatide, migrent chacune vers un pôle opposé de la cellule, tractées par les fibres du fuseau.
Télophase : les chromosomes, regroupés à chaque pôle, se décondensent (retour à la chromatine diffuse) ; une nouvelle enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot ; la cellule se divise en deux par cytodiérèse (constriction de la membrane plasmique chez l'animal, formation d'une plaque cellulaire chez le végétal), donnant deux cellules filles.
En phase G1, chaque chromosome est simple, formé d'une seule chromatide. Après la phase S (réplication), il devient un chromosome dupliqué à deux chromatides sœurs identiques, état qui persiste en G2, en prophase et en métaphase. En anaphase, les deux chromatides sœurs se séparent au niveau du centromère et deviennent chacune un chromosome indépendant à une seule chromatide. À la fin de la télophase, chaque cellule fille reçoit donc un lot de chromosomes simples (à une chromatide), identique en nombre et en nature au lot initial de la cellule mère.
Si l'on note q la quantité d'ADN d'une cellule en phase G1 (chromosomes à une chromatide), cette quantité reste constante et égale à q pendant toute la phase G1. Au cours de la phase S, la quantité d'ADN double progressivement pour atteindre 2q (réplication de l'ADN). Cette quantité 2q reste stable durant la phase G2, la prophase et la métaphase (l'ADN est dupliqué mais pas encore réparti). Dès l'anaphase, au moment de la séparation des chromatides sœurs et de leur migration vers les pôles opposés, la quantité d'ADN de chaque futur pôle redevient égale à q. Ainsi, à la fin de la télophase, chacune des deux cellules filles possède de nouveau une quantité d'ADN égale à q, identique à celle de la cellule mère en G1.
L'entrée en division d'une cellule est contrôlée par des signaux moléculaires. Des facteurs de croissance (substances inductrices) stimulent le passage de G1 vers la phase S et déclenchent la prolifération cellulaire, notamment lors de la cicatrisation ou de la croissance des tissus. À l'inverse, des molécules inhibitrices freinent ou bloquent le cycle cellulaire à des points de contrôle précis, empêchant une division en cas d'anomalie (ADN endommagé, réplication incomplète). Lorsque ce contrôle est perturbé (mutation d'un gène régulateur), la cellule peut se diviser de façon anarchique et incontrôlée : c'est l'un des mécanismes à l'origine des cancers.
Une cellule mère à 2n chromosomes donne, par mitose, 2 cellules filles à 2n chromosomes, génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère.
La méiose est le mode de division des cellules germinales (à l'origine des gamètes) qui permet de faire passer une cellule mère à 2n chromosomes (2 lots de chromosomes homologues) à quatre cellules filles à n chromosomes (1 seul lot), génétiquement différentes les unes des autres et de la cellule mère. On dit que la méiose est une division réductionnelle : elle réduit de moitié le nombre de chromosomes, ce qui permettra de rétablir 2n lors de la fécondation.
Après une phase S préalable (réplication de l'ADN, chromosomes à 2 chromatides), la prophase I se caractérise par l'appariement des chromosomes homologues (l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle) deux à deux, formant des tétrades (ou bivalents). C'est à ce stade que se produisent les crossing-over : des échanges de fragments de chromatides entre chromosomes homologues.
En métaphase I, les tétrades se placent sur la plaque équatoriale. En anaphase I, ce sont les chromosomes homologues entiers (chacun toujours formé de 2 chromatides) qui se séparent et migrent vers les pôles opposés — et non les chromatides sœurs comme en mitose. La répartition des chromosomes d'origine paternelle et maternelle entre les deux pôles se fait de façon aléatoire et indépendante pour chaque paire.
La télophase I aboutit à 2 cellules à n chromosomes, chaque chromosome étant encore formé de 2 chromatides.
La deuxième division se déroule sans nouvelle réplication de l'ADN, selon un mécanisme identique à celui d'une mitose classique : prophase II, métaphase II, anaphase II (séparation des chromatides sœurs de chaque chromosome), télophase II. Elle est dite équationnelle car elle ne modifie pas le nombre de chromosomes par rapport à ce qu'il était à la fin de la division I, mais sépare les chromatides sœurs.
En G1, la cellule mère possède 2n chromosomes à 1 chromatide (quantité d'ADN q). Après la phase S, elle possède 2n chromosomes à 2 chromatides (quantité 2q). À l'issue de la division I (réductionnelle), chaque cellule possède n chromosomes à 2 chromatides (quantité q). À l'issue de la division II (équationnelle), chaque cellule possède n chromosomes à 1 chromatide (quantité q/2). Au final, 4 cellules filles à n chromosomes simples sont obtenues à partir d'une cellule mère à 2n chromosomes.
Il résulte des crossing-over survenant en prophase I entre chromatides de chromosomes homologues : des segments de chromatides s'échangent, créant de nouvelles combinaisons d'allèles sur un même chromosome (chromosomes recombinés), différentes des chromosomes parentaux d'origine.
Il résulte de la répartition aléatoire et indépendante des chromosomes homologues (d'origine paternelle ou maternelle) entre les deux pôles lors de l'anaphase I. Pour n paires de chromosomes, il existe 2ⁿ répartitions possibles des chromosomes d'origine paternelle et maternelle dans les gamètes.
Ces deux mécanismes de brassage expliquent pourquoi les gamètes produits par un même individu sont génétiquement tous différents les uns des autres, et sont à l'origine de la diversité génétique au sein d'une espèce.
Une cellule mère à 2n chromosomes donne, par méiose, 4 cellules filles à n chromosomes, génétiquement différentes les unes des autres et de la cellule mère.
| Critère | Mitose | Méiose |
|---|---|---|
| Nombre de divisions | 1 division | 2 divisions successives |
| Nombre de cellules filles | 2 cellules | 4 cellules |
| Nombre de chromosomes des cellules filles | 2n (identique à la cellule mère) | n (réduit de moitié) |
| Diversité génétique | Cellules filles identiques entre elles et à la cellule mère | Cellules filles génétiquement différentes (brassages intra et interchromosomique) |
| Type de cellules concernées | Cellules somatiques | Cellules germinales |
| Rôle biologique | Croissance, renouvellement tissulaire, cicatrisation | Formation des gamètes, maintien du caryotype de l'espèce à la fécondation |
Le support de l'information génétique est l'ADN, molécule présente dans le noyau, organisée en gènes : un gène est une portion d'ADN qui contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine donnée. L'expression d'un gène se déroule en deux grandes étapes : la transcription (dans le noyau) puis la traduction (dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes).
Dans le noyau, une enzyme, l'ARN polymérase, se fixe sur l'ADN au début d'un gène, sépare localement les deux brins et synthétise une molécule d'ARN messager (ARNm) pré-messager en utilisant l'un des deux brins d'ADN comme brin matrice. La synthèse se fait par complémentarité des bases : A (ADN) s'associe à U (ARN), T (ADN) s'associe à A (ARN), G (ADN) s'associe à C (ARN), et C (ADN) s'associe à G (ARN). L'ARNm pré-messager subit ensuite une maturation : chez les eucaryotes, les séquences non codantes (introns) sont excisées, et les séquences codantes (exons) sont raboutées entre elles (épissage), produisant l'ARNm mature qui quitte le noyau vers le cytoplasme.
Dans le cytoplasme, l'ARNm mature s'associe à un ribosome, qui va lire l'information génétique par groupes de trois nucléotides appelés codons. Chaque codon spécifie un acide aminé précis (code génétique universel, dégénéré et non chevauchant). Des molécules d'ARN de transfert (ARNt), chacune porteuse d'un triplet appelé anticodon complémentaire d'un codon et liée à l'acide aminé correspondant, apportent les acides aminés un par un dans l'ordre dicté par la séquence des codons de l'ARNm.
Initiation : le ribosome se fixe sur l'ARNm au niveau du codon d'initiation AUG, qui code toujours l'acide aminé méthionine et fixe le cadre de lecture.
Élongation : le ribosome progresse le long de l'ARNm, codon après codon ; à chaque étape, un ARNt apporte l'acide aminé correspondant au codon lu, et une liaison peptidique se forme entre cet acide aminé et la chaîne polypeptidique en cours de formation.
Terminaison : lorsque le ribosome atteint un codon stop (UAA, UAG ou UGA), qui ne code aucun acide aminé, la synthèse s'arrête et la chaîne polypeptidique (la protéine) est libérée.
ADN → (transcription) → ARNm → (traduction) → protéine. L'information portée par la séquence de nucléotides d'un gène est ainsi convertie en une séquence d'acides aminés qui détermine la structure et la fonction de la protéine correspondante.
Les propositions suivantes décrivent, dans le désordre, des étapes du cycle cellulaire d'une cellule somatique : (a) les chromosomes, décondensés, se dupliquent (réplication de l'ADN) ; (b) les chromatides sœurs séparées migrent vers les pôles opposés ; (c) les chromosomes, condensés à deux chromatides, s'alignent sur la plaque équatoriale ; (d) les chromosomes commencent à se condenser et le fuseau se met en place ; (e) les chromosomes se décondensent et deux noyaux se reforment, la cellule se divise en deux.
On considère une cellule dont le caryotype normal est 2n = 8 chromosomes. Pour chacune des situations suivantes, indiquer le nombre de chromosomes et le nombre de chromatides par chromosome, en justifiant à partir du cours :
On considère une cellule germinale possédant deux paires de chromosomes homologues : la paire 1 porte les allèles (A,b) sur le chromosome d'origine paternelle et (a,B) sur celui d'origine maternelle ; la paire 2 porte l'allèle C sur le chromosome paternel et c sur le chromosome maternel.
Un gène possède, sur son brin matrice (brin transcrit), la séquence suivante (orientée 3'→5') :
Brin matrice (3'→5') : TAC GTA CCT GAG ATT
Table du code génétique simplifiée (extrait) :
| Codon ARNm | Acide aminé |
|---|---|
| AUG | Méthionine (Met) — start |
| CAU | Histidine (His) |
| GGA | Glycine (Gly) |
| CUC | Leucine (Leu) |
| UAA / UAG / UGA | Codon stop (aucun acide aminé) |
ARNm (5'→3') : AUG CAU GGA CUC UAACe problème comporte deux parties indépendantes portant sur la division cellulaire et sur la synthèse des protéines.
Partie A — Identification d'une division à partir de la variation de la quantité d'ADN
Un suivi expérimental de la quantité d'ADN par cellule (en unités arbitraires q) au cours du temps, dans une lignée de cellules d'un même organe, donne les résultats suivants : de t0 à t1, quantité constante égale à q ; de t1 à t2, la quantité passe progressivement de q à 2q ; de t2 à t3, quantité constante égale à 2q ; à t3, la quantité chute brutalement de 2q à q dans chacune des deux cellules obtenues, qui restent ensuite stables à q.
Partie B — Conséquence d'une mutation sur la protéine
On reprend le gène de l'exercice 4, dont le brin matrice est 3'-TAC GTA CCT GAG ATT-5', codant la séquence Met-His-Gly-Leu. Une mutation ponctuelle remplace la troisième base du deuxième triplet du brin matrice : le brin matrice devient 3'-TAC GTT CCT GAG ATT-5' (T à la place du A souligné dans GTA).
10 questions · Correction immédiate
Au cours de la mitose, la séparation des chromatides sœurs de chaque chromosome se produit pendant :
La quantité d'ADN d'une cellule double au cours de :
Le résultat de la mitose, à partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, est :
Le résultat de la méiose, à partir d'une cellule mère à 2n chromosomes, est :
Le brassage interchromosomique résulte de :
Les crossing-over, responsables du brassage intrachromosomique, se produisent au cours de :
La transcription (synthèse de l'ARNm à partir de l'ADN) se déroule dans :
La traduction (synthèse de la protéine à partir de l'ARNm) a lieu au niveau :
Le codon d'initiation de la traduction est :
Parmi les codons suivants, lequel est un codon stop ?